DE2253373A1 - CONTINUOUS ELECTRIC TWO-POINT CONTROLLER - Google Patents
CONTINUOUS ELECTRIC TWO-POINT CONTROLLERInfo
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Description
Klein, Schanzlin & Becker, AktiengesellschaftKlein, Schanzlin & Becker, public limited company
Stetigwirkender elektrischer Zweipunktregler , _·. ■ Modulating electrical two-position controller, _ ·. ■
Die Erfindung bezieht sich auf einen sfefigwirkenden elektrischen Zweipunktregler mit einem Operationsverstärker und als verzögerter Gegenkopplung ausgebildeter Rückführung und einer weiteren als Mitkopplung ausgebildeten Rückführung.The invention relates to a self-acting electrical two-point controller with an operational amplifier and trained as a delayed negative feedback Feedback and a further feedback designed as positive feedback.
Es sind elektrische Zweipunktregler mit Operationsverstärker bekannt, weiche ein PD-Verha|teri besitzen und die ein unstetiges impiilsbreifenmoduliertes Stellsignal erzeugen, dessen Mittelwert als stetiges Sfeltaighäi wirkt. Dies wird bei einem unstetigen Regler durch das Hinzuschqlten einer verzögerten Rückführung erreicht, deren Rüekführwerf der Regeldifferenz entgegenwirkt und dadurch einen vorzeitigen Ausgleich zwischen dem Soll- und dem Istwert hSrbeiruhrh VThere are known electrical two-point controllers with operational amplifiers, soft have a PD behavior and which have a discontinuous pulse band modulated Generate control signal, the mean value of which acts as a steady Sfeltaighäi. this is activated by adding a delayed controller to a discontinuous controller Return reached, the return throw counteracts the control difference and thereby a premature equalization between the setpoint and the actual value hSrbeiruhrh V
Öös störungsfreie Zuschalten der Rückführung und ein sicheres, fiätterfreies Schal fen des Steflgl Jedes, "eines Relais Oa-, dgl„> bilden für diese Regler besondere Probleme, Weiterhin problematisch sind die unkniisehe Dinien'siphierung der Schaltung, die Verlegung des söliwertäbweiehungsfreieh Ärbeitspuhktes Sri die Mitte des Sfelibereiches, das rüekwirkurijgsfreie EihsieiiertÖöös trouble-free connection of the feedback and a safe, fiätter-free switching of the Steflgl each, "a relay Oa, the like"> form special problems for these regulators. Furthermore problematic are the independent Dinien siphierung of the circuit, the relocation of the söliwertäbweiehungsfreih work puhktes In the middle of the safety area, which is free of rebound effects
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des P-Bereiches und schließlich d'e Versorgungsmöglichkeit aus einer unsymmetrischer! Stromquelle,of the P-area and finally d'e supply possibility from one more asymmetrical! Power source,
Zur Lösung dieser Probleme wurden bereits zahlreiche Vorschläge gemacht, von denen aber keiner voll und in jeder Hinsicht zu befriedigen vermochte,Numerous proposals have already been made to solve these problems, but none of them was able to satisfy fully and in every respect,
So ist es bekannt, die Rückführung durch Kontakte zu schalten, die mit der Betätigung des Stellgliedes gekoppelt sind (DT-AS 1 914 346 und DT-AS 1 950 295)„ Aufgrund der Änderung ihrer Widerstände.aber schränken diese Kontakte die Betriebssicherheit ein Überdies benötigen sie zur Betätigung einen zusätzlichen Leistungsaufwand, der bei Kompaktbauweise die thermischen Probleme noch verschärftSo it is known to switch the feedback through contacts that with the actuation of the actuator are coupled (DT-AS 1 914 346 and DT-AS 1 950 295) "Due to the change in their resistances. But limit These contacts ensure operational safety and they also need them to operate an additional performance expenditure, which in the case of a compact design exacerbates the thermal problems
Nach einem anderen Vorschlag wirkt die Rückführung dauernd kontinuierlich auf eine stetig arbeitende Vorverstärkerstufe (DT-PS 1 260 594) „ Das haf den Nachteil, daß durch das stetige Eingreifen der Rückführung die typischen Eigenschaften eines Zweipunktreglers verändert werden und keine direkte Beziehung mehr zum Wert des Stellsignals besteht. Um trotzdem die Vorzüge des Zweipunktreglers mit Impulsbreitenmodulation zu erhalten, muß künstlich das sonst natürliche PD-Verhalten nachgebildet werden. Trotzdem wird die damit noch nicht kompensierte Schal thysterese der nächjjeschälreten Kippstufe die Regelgüte nachteilig beeinflussen.According to another suggestion, the return works continuously to a constantly working preamplifier (DT-PS 1 260 594) “Das haf the disadvantage that due to the constant intervention of the return the typical Properties of a two-position controller are changed and not directly There is more relationship to the value of the control signal. To still enjoy the benefits of the two-position controller with pulse width modulation, the otherwise natural PD behavior must be artificially simulated. Nevertheless the switching thysteresis which has not yet been compensated for will switch off the next Flip-flop affect the control quality disadvantageously.
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Durch die Zuschaltung einer zweiten, verstärkten Rückführung sollten die genannten Nachteile vermieden werden (DT-AS 1 301 593), Diese Lösung führte jedoch nicht zu einer Vereinfachung. Wegen der notwendigen Anforderungen an die zusätzlichen Bauelemente entstanden vielmehr neue Probleme. -By adding a second, more powerful feedback, should the disadvantages mentioned are avoided (DT-AS 1 301 593). However, this solution did not lead to a simplification. Because of the necessary Rather, demands on the additional components arose new problems. -
In einem anderen Vorschlag soll, insbesondere in Verbindung mit einem Operationsverstärker, durch das Zuschalten einer weiteren, als direkte, überkritische Mitkopplung ausgebildeten Rückführung eine Verbesserung erreicht werden (DT-AS 1 588 487). Durch den Umstand, daß die Mitkopplung direkt und dauernd wirkt, hat diese einen entscheidenenden Einfluß auf die Gegenkopplung, Eine Dimensionierungsänderung der Mitkopplung ist'nicht rückwirkungsfrei auf die Schalthysterese= Das erschwert die Einstellung der Reglerparameter,, Außerdem reagiert der Regler nur auf negative Regeldifferenzen., Mit dem Wert der Stellgröße wächst die bleibende Sollwertabweichung. Schließlich benötigt diese RegIerschalfung zur Stromversorgung einen Netzteil mit gegen Null symmetrischen Spannungen, was einen erheblichen Aufwand notwendig macht.Another proposal aims, in particular in conjunction with a Operational amplifier, by connecting another, as a direct, Overcritical positive feedback trained feedback an improvement can be achieved (DT-AS 1 588 487). By the fact that the positive feedback acts directly and continuously, this has a decisive influence on the negative feedback, a change in the dimensions of the positive feedback is not free of retroactive effects on the switching hysteresis = that makes it more difficult the setting of the controller parameters ,, In addition, the controller only reacts to negative control differences., With the value of the manipulated variable, the permanent setpoint deviation. After all, this controller needs a power supply unit with voltages symmetrical towards zero for power supply, which makes a considerable effort necessary.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Regler der gattungsgemäßen Art zu schaffen, der die Nachteile der bekannten Regler vermeidet, der also auf einfache Weise,das Kippverhalten für eine flatterfreie Stellglied-The invention is based on the object of a controller of the generic type Art to create that avoids the disadvantages of the known regulator, the So in a simple way, the tilting behavior for a flutter-free actuator
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schaltung und ein kontaktloses Schalten der Rückführung sicherstellt^ eine Rückwirkung auf die Auslegung der Gegenkopplung und die Einstellung der Reglerparameter vermeidet, den Sollwertabweichungsfreien Arbeitspunkt in die Mitte des Stellbereiches legt und mit einer für die Versorgung unsymmetrischen Stromquelle auskommt,circuit and contactless switching of the feedback ensures ^ a Impact on the design of the negative feedback and the setting of the Controller parameter avoids the setpoint deviation-free operating point in the middle of the adjustment range and with an asymmetrical one for the supply Power source works,
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die als weitere Rückführung dienende Mitkopplung als nachgebend ausgebildet ist. Diese Maßnahme sichert zuverlässig das Kippverhalten und verhindert ein Flattern des Stellsignals. Das nachgebende Verhalten verstärkt den Mitkopplungsgrad mit zunehmender Änderungsgeschwindigkeit von Stellgröße und Regeldifferenz und verhindert eine Rückwirkung auf die verzögerte Rückführung. Dazu kommt noch die Wirkung des mit zunehmender Änderungsgeschwindigkeit abnehmenden GegenkopplungsgradesoAccording to the invention, this object is achieved in that the further Feedback serving positive feedback is designed as yielding. This measure reliably ensures the tilting behavior and prevents fluttering of the control signal. The yielding behavior increases the degree of positive feedback as the rate of change of the manipulated variable and system deviation increases and prevents repercussions on the delayed return. In addition, there is the effect of that which decreases with increasing rate of change Degree of negative feedback
Um die erfindungsgemäße Maßnahme mit geringstem Bauelementenaufwand zu verwirklichen, wird eine Schaltung vorgeschlagen, die eine Mehrzweckausnutzung der verwendeten Bauelemente gestaftet. Der in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehene Zweipunktregler zeichnet sich dadurch aus, daß zur Erreichung der Mitkopplung ein Kondensator zwischen einer als Spannungsteiler ausgeführten verzögerten Gegenkopplung und dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen ist, wobei dieser Eingang zwischen zwei den einen Zweig einer Brückenschaltung bildenden Widerständen angeschlossen ist.In order to achieve the measure according to the invention with the lowest possible component outlay To realize this, a circuit is proposed which can be used for general purposes of the components used. The one in an advantageous embodiment The two-point controller provided by the invention is characterized by this from that to achieve positive feedback, a capacitor between a delayed negative feedback and the non-inverting one designed as a voltage divider Input of the operational amplifier is connected, this input between two one branch of a bridge circuit forming Resistors is connected.
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Beim vorgeschlagenen Regler wird der Kondensator der verzögerten Gegenrkopplung für das Nachgeben der Mitkopplung mitbenutzt. Zur Erreichung der. Einwirkung der Mitkopplung des in der Stellbereichsmitte liegenden Reglerarbeitspunktes und der Beschränkung auf eine unsymmetrische Stromversorgung dient als Arbeitswiderstand und Symmetriespannungsleiter die ohnehin für den Sollwert-Istwert-Vergleich nötige Brückenschaltung„ Der passive Bauelementenaufwand beschränkt sich also trotz der erweiterten Arbeitsweise auf die Glieder der verzögerten Gegenkopplung und der Brückenschajtung,In the proposed controller, the capacitor is the delayed negative feedback used for yielding the positive feedback. To achieve the. Effect of the positive feedback of the controller operating point located in the middle of the setting range and the restriction to an unbalanced power supply serves as a working resistor and symmetry voltage conductor which anyway for the Setpoint / actual value comparison necessary bridge circuit "The passive component effort is limited to the limbs in spite of the extended working method the delayed negative feedback and the bridge bay,
Anhand eines Ausführungsbeispiels wird der erfindungsgemäße Regler näher erläutert. Die Zeichnung zeigt die Schalung eines sojchen Reglers»The controller according to the invention is explained in more detail using an exemplary embodiment. The drawing shows the formwork of a soy regulator »
Bei dem dargestellten Regier sind in einer Brückenschaltung ein beispielsweise aus einem NTC-Widerstand bestehender Istwertgeber 1 und ein Sollwerteinsteller 2 mit drei Brückenwiderständen 3, Aa, und 4b zusammengefasst= In seiner Rückführung sind Widerstände 5 und 6,. ein Potentiometer 7 für die Reglerparametereinstellung (P-Bereich) und ein Kondensator 8 enthalten. Der Regler besitzt außerdem einen Operationsverstärker 9 mit einem Stellglied 10» Die Versorgung erfolgt aus einer unsymmetrischen Stromquelle 1]„In the case of the controller shown, an actual value transmitter 1, consisting for example of an NTC resistor, and a setpoint adjuster 2 with three bridge resistors 3, Aa, and 4b are combined in a bridge circuit = resistors 5 and 6, are in its feedback. a potentiometer 7 for setting the controller parameters (P range) and a capacitor 8 included. The controller also has an operational amplifier 9 with an actuator 10 »The supply comes from an asymmetrical current source 1]"
In der Brückenschaltung wird zunächst der SolIwert-Istwert-Vergleich der. Regelgröße durchgeführt. Die Spannung, die der Regeldifferenz entspricht, bildet sich zwischen den Brückendiagonalen an den Punkten α und b. Der Punkt α ist über das Potentiometer 7 mit dem invertierenden Eingang (-) undIn the bridge circuit, the target value-actual value comparison of the. Control variable carried out. The voltage that corresponds to the system deviation, forms between the bridge diagonals at points α and b. Of the Point α is via the potentiometer 7 with the inverting input (-) and
der Punkt b mit dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers ? verbunden. DSe abgenommene Differenzspannung wird verstärkt und gelangt an das Stellglied 10, das beispielsweise als Relais ausgebildet ist. Dabei kann ein schleichendes Anwachsen zu Relaisflattern führen. Es ist deshalb notwendig, dem Verstärker ein Kippverhalten zu geben. Diese Eigenschaft wird beim Erfindungsgegenstand dem Verstärker durch die zunächst als Mitkopplung arbeitende Rückführung verliehen.the point b with the non-inverting input (+) of the operational amplifier? tied together. The differential voltage picked up is amplified and reaches the actuator 10, which is designed, for example, as a relay. It can be a creeping growth lead to relay flutter. It is therefore necessary to give the amplifier a tilting behavior. In the subject matter of the invention, this property is given to the amplifier by initially working as positive feedback Repatriation granted.
Die Wirkung der Mitkopplung der an sich als verzögerte Gegenkopplung aufgebauten Rückführung beruht darauf, daß der Fußanschluß des Kondensators 8 nicht auf einem festen Potential liegt, sondern am nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers 9 angeschlossen und dieser Eingang mit dem Symmetriepunkt b der Brückendiagonale verbunden ist. Dadurch wird das Potential des Punktes b mit vom Ladestrom des Kondensators 8 beeinflusst.The effect of the positive feedback is built up as a delayed negative feedback Feedback is based on the fact that the foot connection of the capacitor 8 is not at a fixed potential, but at the non-inverting input (+) of the operational amplifier 9 is connected and this input with the symmetry point b is connected to the bridge diagonal. This increases the potential of the Point b influenced by the charging current of the capacitor 8.
Die Ladung des Kondensators 8 erfolgt von der Stellgröße her über den Rückführwiderstand 5 und über die Brückenwiderstände Aa bzw. 4b. Der Ladestrom beeinflusst dabei den Spannungsabfall in den Brückenwiderständen 4a und 4b der - weil vorzeichenrichtig - den Mitkopplungseffekt auslöst. Der Grad der Mitkopplung ist aufgrund der nachgebenden Wirkung des Kondensators vor allem von der Anderungsgeschwindigkeit der Stellgröße abhängig. Große Änderungsgradienten steigern die Mitkopplung derartig, daß es zu einem logisch richtigen vorzeitigen Kippen kommt. Dieser Vorgang wird noch durchThe capacitor 8 is charged based on the manipulated variable via the feedback resistor 5 and the bridge resistors Aa and 4b. The charging current influences the voltage drop in the bridge resistors 4a and 4b which - because the sign is correct - triggers the positive feedback effect. Due to the yielding effect of the capacitor, the degree of positive feedback is primarily dependent on the rate of change of the manipulated variable. Large change gradients increase the positive feedback in such a way that a logically correct premature tilt occurs. This process is still going through
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die Verzögerung der Gegenkopplung begünstigt, denn die Verzögerung ist invertierend mit dem Nachgeben der Mitkopplung gekoppelt. Hierdurch schwindet der Einfluß der Mitkopplung direkt mit der Zunahme der Gegenkopplung. -the delay of the negative feedback favors, because the delay is inverted coupled with the yielding of the positive feedback. Through this the influence of the positive feedback disappears directly with the increase in the negative feedback. -
Die Gegenkopplung wirkt über die Widerstände 5,6 und 7 auf den invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers . Der bereits für die Kopplung und das Nachgeben der Mitkopplung ausgenutzte Kondensator 8 verzögert durch seine Anordnung die Gegenkopplung. Die nach der Verzögerung am Punkt a auftretende Gegenkopplungsspannung bestimmt den Bereich der Regel differenz' (P-Bereich) in dem die Kippeigenschaft besteht. Mit dem Potentiometer/ wird dieser Bereich durch Abgreifen der'Gegenkopplungsspannung eingestellt. Die als Spannungsteiler ausgebildete Rückführung schließt die beiden den Brückendiagonalpunkt α bildenden Widerstände 1,2 und den Widerstand 3 mit ein. Die dort stattfindende Subtraktion der verzögerten Gegenkopplungsspannung von der Regeldifferenzspannung führt zu ungleichen Ladezeiten, die schließlich das Taktverhältnis bestimmen.The negative feedback acts via resistors 5, 6 and 7 on the inverting one Input (-) of the operational amplifier. The capacitor 8, which has already been used for the coupling and the yielding of the positive feedback, is delayed its arrangement the negative feedback. After the delay at point a occurring negative feedback voltage determines the range of the rule difference ' (P range) in which the tilting property exists. With the potentiometer / becomes this range is set by tapping the negative feedback voltage. the The feedback, designed as a voltage divider, closes the two bridge diagonals α forming resistors 1,2 and the resistor 3 with a. The subtraction of the delayed negative feedback voltage that takes place there of the control differential voltage leads to unequal charging times, which eventually determine the clock ratio.
Der Sollwerteinsteller 2 ist mit dem Istwertgeber 1 in Reihe geschaltet. Durch den Regelvorgang stellt sich, damit nicht allein das 'Brückengleichgewicht, sondernThe setpoint adjuster 2 is connected in series with the actual value transmitter 1. By the control process arises, so not only the 'bridge equilibrium, but
Si-Si
auch immer" die gleiche Brücken impedanz ein und zwar unabhängig vom eingestellten Sollwert.also always "the same bridge impedance regardless of the set Setpoint.
ΑΌ98 19/.0541ΑΌ98 19 / .0541
Der Rückführungsanschluß an die Brückendiagonale α und b und die gleichzeitige Ausnutzung der Brückenschaltung 1,2,3,4a und 4b zur Symmetrierung der Versorgungsspannung 11 sorgt bei jedem Kippen der Stellgröße für eine Vorzeichenumkehr der Kondensatorspannung. Der Mittelwert der Ladung wird, beim ausgeglichenen Tastverhältnis der Stellgröße zu NuH. Damit liegt der Sollwertabweichungsfreie Arbeitspunkt der Regelvorrichtung in der Mitte des Stellbereiches.The return connection to the bridge diagonal α and b and the simultaneous one Utilization of the bridge circuit 1, 2, 3, 4a and 4b for balancing the supply voltage 11 provides for one each time the manipulated variable is tilted Reversal of sign of the capacitor voltage. The mean value of the charge becomes NuH when the duty cycle of the manipulated variable is balanced. So that lies Setpoint deviation-free operating point of the control device in the middle of the setting range.
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